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La spettroscopia terahertz ultra veloce svela nuove conoscenze sul moto ultra veloce degli elettroni nel grafene e nei materiali magnetici

In una serie di esperimenti innovativi, degli scienziati hanno esaminato in che modo il grafene e i metalli ferromagnetici conducono l’elettricità su scale temporali ultra veloci, un fatto rilevante per la prossima generazione dell’elettronica ad alta velocità.
La spettroscopia terahertz ultra veloce svela nuove conoscenze sul moto ultra veloce degli elettroni nel grafene e nei materiali magnetici
Il lavoro effettuato dal progetto LIGHTER a guida tedesca che esamina l’interazione di luce e materia su scale temporali ultra veloci ha prodotto risultati che sono molto importanti per i fisici e anche gli ingegneri.

Il progetto, supportato da una borsa di integrazione per la carriera Marie Curie per il ricercatore Dmitry Turchinovich, ha sfruttato la spettroscopia terahertz avanzata per studiare alcuni aspetti fondamentali dell’elettronica.

“Noi volevamo comprendere in che modo gli elettroni in materiali rilevanti dal punto di vista tecnologico, ossia metalli ferromagnetici, grafene e altri, interagiscono con i campi elettrici sulla scala temporale ultra veloce dei picosecondi o più velocemente,” afferma il professor Turchinovich, che durante il progetto ha guidato un gruppo di ricerca all’istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri a Magonza, in Germania. “Si tratta di scale temporali fondamentali per le dinamiche elementari nei solidi.”

Finalmente dimostrata la teoria di Mott

Le moderne memorie magnetiche, come ad esempio i dischi rigidi per computer ad alta capacità, memorizzano le informazioni sotto forma di minuscoli bit magnetici, che vengono interrogati usando sensori magnetici su scala nanoscopica chiamati valvole di spin. Le valvole di spin funzionano in base all’idea della conduzione elettrica nei metalli ferromagnetici proposta dal fisico britannico Nevill Mott nel lontano 1936. Secondo la teoria di Mott, le correnti elettriche in questi metalli sono trasportate da due tipi di elettroni con spin opposti, che subiscono una resistenza differente quando si muovono all’interno di un metallo.

“Abbiamo scoperto un modo per liberare sperimentalmente queste correnti mediante elettroni con spin up e spin down,” afferma il prof. Turchinovich. Utilizzando la spettroscopia terahertz ultra veloce i ricercatori sono riusciti a contare il numero di elettroni con spin up e spin down e a misurare quanto velocemente essi rallentano all’interno del metallo.

Questa, la prima osservazione diretta della teoria fondamentale di Mott, ha inoltre permesso ai ricercatori di ottenere una migliore comprensione della moderna tecnologia della memoria magnetica. “Abbiamo scoperto che le tradizionali misurazioni su scale temporali più lente sottostimano in modo significativo l’asimmetria dello spin che è responsabile del funzionamento del sensore magnetico,” dice il prof. Turchinovich.

Questo metodo, pubblicato su Nature Physics contribuisce a un campo del tutto nuovo, ossia la spintronica terahertz, e fornisce agli scienziati un modo per selezionare facilmente molti composti magnetici differenti per trovare quelli più adatti per dispositivi efficienti.

Regole termodinamiche

Una seconda linea di ricerca tra molte è stata quella che ha studiato come il grafene conduce l’elettricità a frequenze molto elevate, un fatto rilevante per l’elettronica ultra veloce di prossima generazione.

Il team di LIGHTER ha usato unicamente dei mezzi ottici per creare condizioni simili a quelle di un transistor con forti campi elettrici ad alta frequenza all’interno del grafene e per misurare direttamente la risposta elettronica. “Quando si spinge una corrente elettrica attraverso il grafene, la sua popolazione di elettroni liberi, solitamente descritta come una sorta di liquido, “si vaporizza” e diventa più simile a un gas, che cambia in modo significativo le proprietà conduttive del materiale,” dice il prof. Turchinovich. “Alla fine, il modo in cui il grafene conduce l’elettricità dipende semplicemente dalla temperatura di questo gas elettronico. Questo rende molto semplice la descrizione dell’elettronica del grafene, fondamentalmente si devono solo applicare alcune leggi di conservazione di base,” aggiunge.

Questa scoperta è stata pubblicata su Nature Communications il 16 luglio 2015. Il prof. Turchinovich ritiene che questa nuova intuizione aiuterà a far progredire lo sviluppo di prodotti. “Gli ingegneri possono usare il nostro semplice modello termodinamico per prevedere le prestazioni dei loro transistor al grafene o fotorivelatori e per ottimizzarli,” conclude.

Le nuove conoscenze provenienti da LIGHTER hanno portato alla pubblicazione di 27 articoli durante i quattro anni del progetto. Verso la fine del progetto, il suo successo ha contribuito alla nomina del prof. Turchinovich a professore di fisica all’Università di Duisburg-Essen in Germania.

Argomenti

Life Sciences

Keywords

LIGHTER, conduttività, metalli ferromagnetici, grafene, termodinamica, ultraveloce, spettroscopia terahertz, spintronica